流離生化技術研究及在污水處理領域中的應用

苗雪杉，王 帆，2*，康 華，2，楊凱倫，2，歐子平，許 可，張 彤

（1.長春工程學院 水利與環(huán)境工程學院，吉林 長春 130012；2.吉林省城市污水處理重點實驗室，吉林 長春 130012）

流離生化技術是一項新型生物膜污水處理技術，通過向水中投加流離球填料，使微生物附著生長。具有工藝流程簡單、運行簡便、啟動快，處理效果好、占地面積小、運行費用低等優(yōu)點。我國對流離生化技術的研究與應用已有30余年，技術相對成熟，在工業(yè)廢水、生活污水、中水處理等領域均得到了廣泛應用。

本文介紹流離生化技術的基本原理，綜述了近年來流離生化技術在水處理領域的研究與工程應用情況，在此基礎上對該技術未來發(fā)展進行了初步探討，以期為流離生化技術的研究與應用提供一定的參考價值。

1 流離生化技術基本原理

1.1 污染物凈化機理

流離（又稱速分）是自然界中一種固液分離現(xiàn)象，即流動液體中懸浮物總是自發(fā)的由流速快的一側向流速慢的一側聚集[1-2]。流離是除沉淀、過濾外的另一種固液分離技術。流離生化技術巧妙地將“流離現(xiàn)象”與微生物降解有機結合，以流離球作為微生物載體。球殼一般為聚乙烯材質，球內可填充海綿、鮑爾環(huán)、石料、組合填料等，供微生物附著生長[3-4]。污水流經流離球時，球內阻力大、流速慢，水中懸浮物會自發(fā)向球及球內聚集，利用微生物吸附、降解作用達到污水凈化的目的。流離球延緩了氣體在水中的釋放過程，提高了氧的利用效率，隨著微生物對氧的消耗，流離球間及流離球內部填料之間能夠形成交替好氧、缺氧、厭氧多種氧環(huán)境，這為同時硝化反硝化（SND）創(chuàng)造了條件，也有利于不同種微生物協(xié)同作用，實現(xiàn)良好的有機物和總氮去除效果[4-11]。

1.2 污泥消解機理

首先，流離生化技術屬于生物膜法，污泥齡較長，因此污泥產量低。其次，較長泥齡形成了由細菌到后生動物完整的食物鏈，進一步降低了污泥產量。最后，流離球形成外部好氧、內部厭氧的特殊環(huán)境，強化流離作用，使剩余污泥向球上聚集，聚集的污泥在好氧環(huán)境中被分解，在厭氧環(huán)境中被水解液化，以上過程不斷循環(huán)往復，使大部分有機污泥消解，僅少量無機污泥及有機殘體需定期排放[5，7]。

2 流離生化技術研究進展

2.1 流離生化技術低溫研究

我國北方冬季溫度在10℃以下，低溫抑制了微生物的生長和活性，嚴重影響脫氮效果，污水處理廠出水難以達標。有報道指出，投加懸浮填料能有效提升低溫脫氮能力[12-13]。研究表明，填充海綿和K3填料的流離球，綜合考慮去除效果與資源節(jié)約，低溫下最佳內部填充率為30.5%[14]。

王帆等[15]構建三級AO耦合流離生化系統(tǒng)，探究低溫下進水流量分配比對低C/N城市污水處理效果的影響，并分析了脫氮規(guī)律。實驗結果顯示，各級好氧區(qū)硝化作用是制約系統(tǒng)脫氮的主要因素，進水比3∶2∶1工況合理分配了NH4+-N負荷，各級硝化效率在85%以上，脫氮效率最高，COD、NH4+-N和TN平均去除率分別為87.44%、96.63%和76.81%。流離球填料提高了系統(tǒng)同步硝化反硝化（SND）性能，強化了TN去除能力，（SND）率為26.05%[16]。

艾勝書等[17]對比了3種填料低溫下污染物去除性能，穩(wěn)定運行時內置海綿與鮑爾環(huán)的流離球填料處理能力最強且培養(yǎng)時間短，微生物活性最高，分泌的胞外聚合物（EPS）最多，可認為內置海綿與鮑爾環(huán)的流離球填料更適用于低溫污水的處理。

2.2 流離生化與脫氮新技術

為探索厭氧氨氧化顆粒污泥（Anammox Granular Sludge，AGS）的快速培養(yǎng)，唐鵬等[18]采用上流式厭氧污泥床反應器，并加入內部填充海綿的流離球填料。結果表明，填充的流離球填料截留了大量污泥，在127 d內成功培養(yǎng)出直徑1.0～3.0 mm的AGS，有效地加快了反應器啟動，總氮去除率達85%以上，且AGS能承受更高的氨和亞硝酸鹽抑制濃度，有利于反應器穩(wěn)定運行。

王卿等[19]探討了高溶解氧（DO）含量下的海綿生物膜反應器處理低負荷的市政污水在不同溫度條件下的短程硝化性能。于25℃以海綿為載體，成功培養(yǎng)出具有短程硝化性能的生物膜，并維持穩(wěn)定。溫度調整至20℃后，短程硝化性能因溫度降低遭到破壞。將海綿填充入流離球內，短程硝化性能得到恢復，亞硝氮積累率（NAR）由3.97%升高至95%以上并維持穩(wěn)定。王卿等認為在高DO時，流離球加強了氧抑制作用，抑制了內部亞硝酸氧化菌（NOB），從而恢復了短程硝化性能。

2.3 流離球內部填料研究

填料影響著微生物的附著、生長繁殖和脫落，是流離生化技術的核心。填料的材質、性能和造價等因素更是直接影響著污水處理效果和工程可行性。

詹博等[6]探究了珊瑚砂作為內部填料的可行性，并將其用于處理島礁生活污水，考察了污染物去除效果，同時研究了穩(wěn)定運行階段SND性能。結果表明，珊瑚砂表面粗糙，具有良好的機械強度和微生物親和性，適合作為流離球內部填料；另外，珊瑚砂釋放的Ca+有助于實現(xiàn)SND。穩(wěn)定運行期間，系統(tǒng)平均出水COD、NH4+-N、TN濃度分別為（43.09±9.78）mg/L、（1.25±1.06）mg/L、（14.39±4.37）mg/L；系統(tǒng)具有良好的同步硝化反硝化性能，SND率為（80.50±9.38）%。

有學者從污泥資源化角度出發(fā)，利用制藥廠污泥、黏土、粉煤灰為原料制備了流離球內部填料，對制藥廠污水COD去除率可達92.4%[20]。

曹鳳云等[21]對比了不同內部填料流離球的性能，認為污泥陶粒流離球在掛膜啟動速度和污染物去除效果方面均優(yōu)于碎石流離球。

3 流離生化技術應用現(xiàn)狀

3.1 用于生活污水處理

劉志強等[22]研發(fā)出一種以生物流離球為核心的一體化微動力污水處理裝置，流離球內填充紫砂礦填料以改善微生物親和性，該技術具有處理效果好、運行能耗低、抗沖擊能力強、無須專人管理等優(yōu)點，該裝置用于處理仁博高速丹霞服務區(qū)的生活污水，出水水質達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級排放標準。

石家莊市裕園廣場應用流離生化技術處理洗浴廢水和酒店污水，日處理水量308 m3，無任何排泥設施，COD、BOD、NH4+-N、TP去 除 效 率 分 別 為78.14%、91.25%、85.34%、34.77%，除TP外均達到國家一級排放標準，且運行2年無任何堵塞現(xiàn)象，說明沒有剩余污泥產生[7]。

天津市某雨水泵站污水臨時處理工程采用流離生化工藝，工程處理規(guī)模為500 m3/d，流離球內填充陶料濾料，并設置加藥除磷裝置以提高整體工藝對磷的去除效果，處理后出水達到天津市DB12/599—2015《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》A標準[23]。

某大學校區(qū)采用流離生化技術處理生活廢水，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，自動化程度高，出水各項指標滿足中水回用要求，全年節(jié)省自來水費150.84萬元[24]。

流離生化技術流程簡單、占地面積小、無須專人管理，適用于農鎮(zhèn)等分散式污水的處理。臨潼區(qū)零口鎮(zhèn)污水處理工程好氧處理工藝采用流離生化技術，設計處理能力120 m3/d，出水水質達到一級A標準，COD、BOD5、NH4+-N、SS去除效率分別為87.5%、95%、80%、95%[25]。

3.2 用于工業(yè)廢水處理

工業(yè)廢水包括生產廢水、沖洗排水、員工生活污水等，具有污染物含量高、成分復雜、水質水量變化大、難生物降解等特點。工程實際證明，用流離生化技術處理工業(yè)廢水能取得良好的效果與經濟效益。

3.2.1 垃圾滲濾液

盧國滿等[26]采用流離生化技術針對垃圾滲濾液進行中試實驗，生物處理工藝采用一級厭氧+二級好氧工藝。其中，厭氧池內流離球填充改性火山巖，填充率為40%；曝氣池內流離球填充化學涂層的碎石塊，填充率為70%。研究了不同水力停留時間（HRT）、溶解氧（DO）、容積負荷（Fr）條件下各池內處理效果。結果表明：隨著HRT的增加，厭氧池內COD去除效率逐漸提高，曝氣池內COD、NH4+-N、TN去除率逐漸增加；隨著DO增大，曝氣池內COD去除效率逐漸升高，氨氮去除效率也逐步增加；隨著Fr的增加各池內COD去除效率均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。

3.2.2 制藥廢水

何大偉等[27]向高負荷生物池內投加FSB流離球對高濃度制藥廢水進行中試研究，流離球內填充火山巖，控制曝氣量（保持DO＜1 mg/L）進行掛膜培養(yǎng)。考察了系統(tǒng)在高負荷、缺氧條件下對有機物的去除性能以及系統(tǒng)pH變化情況。結果表明：投加流離球填料的反應器具有很高的耐沖擊負荷能力，氧氣消耗量低，負荷為7 kgCOD/（m3·d）時，COD去除率仍能達到80%，投加填料后，B/C比由原來的0.3提升至0.4，可生化性提高。

投加流離球填料無須對生物池進行結構性改動，便于污水處理系統(tǒng)提標改造。劉志偉等[28]利用流離生化技術對北京某制藥廠廢水處理工藝進行技術改造，改造后的廢水處理系統(tǒng)COD去除率達99%以上，且具有很強的抗沖擊負荷能力，出水水質滿足DB11/307—2005《北京市水污染物排放標準》一級B標準。

3.2.3 其他工業(yè)廢水

某工業(yè)園采用以流離球生化技術為核心的組合處理工藝，并在流離球生化反應池后設置高密度沉淀池+Ⅴ型濾池組合工藝，彌補流離生化法除磷的不足。該工藝運行穩(wěn)定，冬季低溫條件下仍能高效運行，出水水質可達到一級A標準。運行成本較低，在經濟性上具備一定的盈利能力和償還能力[29]。

喬建國等[30]探索開發(fā)了一種基于流離生化技術的卷煙廠廢水處理與回用系統(tǒng)，運行管理簡單，污泥產量低，各項出水水質滿足國家廢水排放和回用標準，與廠區(qū)原系統(tǒng)相比運行費用大幅降低，每年可節(jié)約運行維護費用約137.5萬元，中水回用每年可節(jié)約自來水費約76.2萬元，經濟效益顯著。

4 結束語

流離生化技術是一項高效、經濟、符合我國國情的污水處理技術。對強化低溫脫氮與新技術研究應用有重大意義，在工程中已取得良好效果，結合我國水環(huán)境保護政策，該技術擁有廣闊的發(fā)展前景和應用空間。目前，相關研究集中在污染物去除效率與實際工程應用效果等方面，關于其內在機理方面研究尚少。此外，隨著材料合成技術的發(fā)展，開發(fā)更多價格低廉、生物親和性強的內部填料也是研究的重要方向。